專利名稱：一種挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)能控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機。
背景技術(shù)：
目前，市場上的大多數(shù)挖掘機主要采用的是與外部負(fù)載無關(guān)的發(fā)動機定工作點的控制方式，即固定發(fā)動機的輸出功率。但實際工作中，挖掘機工況是非常復(fù)雜的，外部負(fù)載變化很頻繁當(dāng)其外部負(fù)載由大變小時，定工作點的控制方式并不能及時調(diào)整發(fā)動機的功率，造成整機輸出功率遠(yuǎn)大于負(fù)載實際需求功率，從而導(dǎo)致部分能量的浪費；同樣，當(dāng)外部負(fù)載由小變大時，此種控制方式也不能及時增大輸出功率，導(dǎo)致整機失速嚴(yán)重，甚至熄火。由此可見，定工作點的控制方式并不能實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率與負(fù)載所需功率的最優(yōu)匹配，發(fā)動機經(jīng)常偏離最佳油耗區(qū)工作，使整機性能得不到充分發(fā)揮，而系統(tǒng)的能源消耗更為嚴(yán)重。因此如何充分利用發(fā)動機的輸出功率，降低整個系統(tǒng)的能耗，成為挖掘機領(lǐng)域研發(fā)人員的一個重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前挖掘機發(fā)動機定工作點控制方式不能實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率與負(fù)載所需功率的最優(yōu)匹配，整機性能得不到充分發(fā)揮，造成系統(tǒng)的能源消耗較為嚴(yán)重的問題，現(xiàn)提供了一種挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機。具體技術(shù)方案如下
一種挖掘機的節(jié)能控制方法，包括以下步驟，
根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線得到對應(yīng)的發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線；
控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的控制信號輸入，計算得到當(dāng)前負(fù)載所需功率Pe ;
由發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線得到發(fā)動機當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速nBest ；
控制器輸出轉(zhuǎn)速控制信號，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速nBest。進(jìn)一步的，所述發(fā)動機和負(fù)載輸入的控制信號包括有當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，前、后泵主壓力Pp P2,前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流Ip I2,前、后泵設(shè)定排量VF、νκ。進(jìn)一步的，還包括對主泵排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟，在調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的同時，控制器輸出PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)信號，調(diào)節(jié)前、后泵達(dá)到需要的排量
V P /、Vr ' ο進(jìn)一步的，所述輸出的轉(zhuǎn)速控制信號為油門電機的控制信號或具有通信協(xié)議的CAN (Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))信號。進(jìn)一步的，還包括負(fù)載所需扭矩T (t)的計算，
根據(jù)主泵的電流-排量關(guān)系和前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流Ip I2分別得到前、后泵當(dāng)前理論排量Vp V2 ；
然后由前、后泵當(dāng)前理論排量'、V2和前、后泵主壓力Pp P2計算得出當(dāng)前負(fù)載所需扭矩 T(t)；
通過負(fù)載所需扭矩T(t)和當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速η計算得出負(fù)載所需功率ΡΕ。
進(jìn)一步的，還包括計算負(fù)載所需功率Pe前對負(fù)載所需扭矩T (t)進(jìn)行數(shù)字濾波的步驟。進(jìn)一步的，在數(shù)字濾波中，引入上一周期的扭矩T(t-l)作為濾波器的遺傳因子，進(jìn)行濾波計算，
濾波后的扭矩Τ=Α·Τ (t-1) +B-T (t)，
其中 A=O. 9 1，B=O O. I ;
根據(jù)濾波后的扭矩T和發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，計算負(fù)載所需功率PE。進(jìn)一步的，通過加入排量調(diào)節(jié)因子i3=n/nBest，得到調(diào)節(jié)后的前、后泵排量Vf,=Vf · β、Vk , =Ve · β。
進(jìn)一步的，還包括作為PWM信號輸出結(jié)果的電流PID控制，
控制器采集前、后泵排量比例閥回路上的控制電流，并計算出其平均電流Ip I2作為反饋值；
根據(jù)主泵排量-電流關(guān)系和調(diào)節(jié)后的前、后泵排量計算得出前、后泵的目標(biāo)控制電流值 If,和 Ik,;
將反饋電流Ip I2與目標(biāo)電流值IF,、Ik,進(jìn)行閉環(huán)PID控制；
PID計算的結(jié)果作為PWM信號的輸出。一種挖掘機，所述挖掘機運用了上述任一項所述的挖掘機的節(jié)能控制方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案提供的挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機具有以下優(yōu)點通過控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的輸入信號，并根據(jù)負(fù)載過濾-最佳轉(zhuǎn)速曲線計算出發(fā)動機最佳轉(zhuǎn)速，由控制器發(fā)出信號調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使得發(fā)電機工作在最佳油耗區(qū)附近，降低了系統(tǒng)的耗能，整機性能得到提高。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明實施例中提供的發(fā)動機萬有特性曲線示意 圖2是本發(fā)明實施例中提供的節(jié)能控制方法工作流程 圖3是本發(fā)明實施例中提供的主泵電流-排量關(guān)系曲線 圖4是本發(fā)明實施例中提供的主泵排量-電流關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明實施例提供了一種挖掘機的節(jié)能控制方法，包括以下步驟，
根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線得到對應(yīng)的發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線，如圖I所示，發(fā)動機萬有特性曲線上的等功率曲線與最佳油耗曲線的交點，即為對應(yīng)的負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線。
控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的控制信號輸入，計算得到當(dāng)前負(fù)載所需功率PE，其中，發(fā)動機和負(fù)載輸入的控制信號包括有當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，前、后泵主壓力Pp P2，前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流Ip I2，前、后泵設(shè)定排量VF、VK。并通過負(fù)載所需扭矩T(t)和當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速η計算得出負(fù)載所需功率ΡΕ。負(fù)載所需扭矩T (t)的計算步驟為，根據(jù)主泵的電流-排量關(guān)系(如圖3所示)和前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流Ip I2分別得到前、后泵當(dāng)前理論排量'、V2;然后由前、后泵當(dāng)前理論排量Vp V2和前、后泵主壓力Pp P2計算得出當(dāng)前負(fù)載所需扭矩T⑴；
由于實際工作中負(fù)載所需扭矩會頻繁波動而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速及主泵排量的頻繁調(diào)節(jié)，因此在計算負(fù)載所需功率Pe前還需要對負(fù)載所需扭矩T (t)進(jìn)行數(shù)字濾波，以減小其頻繁波動，使其更平緩。在數(shù)字濾波中，引入上一周期的扭矩T(t-l)作為濾波器的遺傳因子，進(jìn)行濾波計算， 濾波后的扭矩Τ=Α·Τα-1)+Β·Τα)，其中A=O. 9 1，B=O O. I ;根據(jù)濾波后的扭矩T和發(fā)動機轉(zhuǎn)速η，計算負(fù)載所需功率ΡΕ。最后由發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線得到發(fā)動機當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速nBest;并由控制器輸出轉(zhuǎn)速控制信號，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速nBest。其中，輸出的轉(zhuǎn)速控制信號為油門電機的控制信號或具有通信協(xié)議的CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))信號。為保證調(diào)速前后整機的輸出功率保持一致，還需要對主泵排量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的同時，控制器輸出PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)信號，調(diào)節(jié)前、后泵達(dá)到需要的排量VF, ,Ve,。通過加入排量調(diào)節(jié)因子i3=n/nBest，得到調(diào)節(jié)后的前、后泵排量 Vf , =Vf* β、Vk , =Ve · β。主泵排量調(diào)節(jié)是通過電流PID控制并輸出PWM信號來進(jìn)行，其步驟有，
控制器采集前、后泵排量比例閥回路上的控制電流，并計算出其平均電流Ip I2作為反饋值；根據(jù)主泵排量-電流關(guān)系(如圖4所示)和調(diào)節(jié)后的前、后泵排量計算得出前、后泵的目標(biāo)控制電流值If,和Ik,;后將反饋電流I1U2與目標(biāo)電流值IF,、Ικ,進(jìn)行閉環(huán)PID控制；最終以PID計算的結(jié)果作為PWM信號的輸出。如圖2所示，下面簡單描述挖掘機的節(jié)能控制方法的控制流程，
輸入當(dāng)前轉(zhuǎn)速η，前、后泵濾波主壓Pp P2,前、后泵當(dāng)前設(shè)定排量值VF、Ve,前后泵排量比例閥反饋電流Ip I2，將上述數(shù)據(jù)傳送到控制器。按主泵電流-排量關(guān)系(如圖3所示)，計算出I。I2對應(yīng)的理論排量值％、V2,根據(jù)PpP2、'、V2，計算出當(dāng)前負(fù)載所需的扭矩T(t)。同時設(shè)定初次運行扭矩常量Ttl,T0= T (t-1)。對扭矩濾波，濾波后的扭矩為 T=A*T(t-l)+B*T(t)。計算當(dāng)前負(fù)載所需的功率Pe Pe= (Τ·η) /9550
根據(jù)發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線，計算出發(fā)動機當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速nBest。計算排量調(diào)節(jié)因子β =n/nBest,得到前泵排量VF, =VF· β ,后泵排量Vk , =Ve ·β，并按照排量-電流曲線(如圖4所示)，得到前后泵所需的控制電流IF, ,Ir。將前后泵排量比例閥反饋電流平均值Ip I2作為反饋值，控制電流If,、Ir -作為目標(biāo)值，進(jìn)行閉環(huán)電流PID控制，PID控制計算的結(jié)果作為PWM信號輸出?？刂破鬏敵鲛D(zhuǎn)速控制信號(對于歐II發(fā)動機，是油門電機的控制信號；對于歐III、
IV發(fā)動機，可以是滿足相關(guān)通信協(xié)議的CAN信號)，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速nBest;同時輸出PWM信號，調(diào)節(jié)前、后泵達(dá)到需要的排量Vf，和VK，。一種挖掘機，該挖掘機運用了上述所述的挖掘機的節(jié)能控制方法。挖掘機的其它部分可參考現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。本發(fā)明實施例公開的挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機將發(fā)動機的輸出功率基于外部負(fù)載的大小進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使動力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率能更好的匹配，提高了發(fā)動機功率利用率，真正實現(xiàn)“輸出”即“所需”；發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)基于負(fù)載功率一最佳轉(zhuǎn)速曲線，由發(fā)動機的最佳油耗線得出，它使發(fā)動機經(jīng)常工作于最佳油耗區(qū)附近，降低了系統(tǒng)的能耗；而在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的同時，對主泵排量也進(jìn)行等比例的反向調(diào)節(jié)，以保證整機在轉(zhuǎn)速調(diào)整前后，具有相同的輸出功率，再搭配更大排量的主泵，能達(dá)到更佳的 工作效率，可實現(xiàn)真正的“高效節(jié)能”。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，包括以下步驟， 根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線得到對應(yīng)的發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線； 控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的控制信號輸入，計算得到當(dāng)前負(fù)載所需功率Pe ; 由發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線得到發(fā)動機當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速nBest ； 控制器輸出轉(zhuǎn)速控制信號，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速nBest。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，所述發(fā)動機和負(fù)載輸入的控制信號包括有當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，前、后泵主壓力Pp P2，前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流I、I2,前、后泵設(shè)定排量\、VK。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，還包括對主泵排量進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟，在調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的同時，控制器輸出脈沖寬度調(diào)制信號，調(diào)節(jié)前、后泵達(dá)到需要的排量VF, >VE, ο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，所述輸出的轉(zhuǎn)速控制信號為油門電機的控制信號或具有通信協(xié)議的控制器局域網(wǎng)絡(luò)信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，還包括負(fù)載所需扭矩T(t)的計算， 根據(jù)主泵的電流-排量關(guān)系和前、后泵排量調(diào)節(jié)比例閥反饋電流Ip I2分別得到前、后泵當(dāng)前理論排量Vp V2 ； 然后由前、后泵當(dāng)前理論排量'、V2和前、后泵主壓力Pp P2計算得出當(dāng)前負(fù)載所需扭矩T(t)； 通過負(fù)載所需扭矩T(t)和當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速η計算得出負(fù)載所需功率ΡΕ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，還包括計算負(fù)載所需功率Pe前對負(fù)載所需扭矩T (t)進(jìn)行數(shù)字濾波的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，在數(shù)字濾波中，引入上一周期的扭矩T(t-l)作為濾波器的遺傳因子，進(jìn)行濾波計算， 濾波后的扭矩Τ=Α·Τ (t-1) +B-T (t)，其中 A=O. 9 1，B=O O. I ; 根據(jù)濾波后的扭矩T和發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，計算負(fù)載所需功率PE。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，通過加入排量調(diào)節(jié)因子β =n/nBe;st,得到調(diào)節(jié)后的前、后泵排量VF, =Vf* β > Ve , =Ve ·β。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的挖掘機的節(jié)能控制方法，其特征在于，還包括作為脈沖寬度調(diào)制信號輸出結(jié)果的電流PID控制， 控制器采集前、后泵排量比例閥回路上的控制電流，并計算出其平均電流I:、I2作為反饋值； 根據(jù)主泵排量-電流關(guān)系和調(diào)節(jié)后的前、后泵排量計算得出前、后泵的目標(biāo)控制電流值 If,和 Ik,; 將反饋電流Ip I2與目標(biāo)電流值IF,、Ik,進(jìn)行閉環(huán)PID控制； PID計算的結(jié)果作為脈沖寬度調(diào)制信號信號的輸出。
10.一種挖掘機，其特征在于，所述挖掘機運用了權(quán)利要求I至9任一項所述的挖掘機的節(jié)能控制方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種挖掘機的節(jié)能控制方法及挖掘機，屬于節(jié)能控制技術(shù)領(lǐng)域。該節(jié)能控制方法，包括以下步驟，根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線得到對應(yīng)的發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線；控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的控制信號輸入，計算得到當(dāng)前負(fù)載所需功率PE；由發(fā)動機負(fù)載功率-最佳轉(zhuǎn)速曲線得到發(fā)動機當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速nBest；控制器輸出轉(zhuǎn)速控制信號，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速nBest。本發(fā)明通過控制器采集發(fā)動機和負(fù)載的輸入信號，并根據(jù)負(fù)載過濾-最佳轉(zhuǎn)速曲線計算出發(fā)動機最佳轉(zhuǎn)速，由控制器發(fā)出信號調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使得發(fā)電機工作在最佳油耗區(qū)附近，降低了系統(tǒng)的耗能，整機性能得到提高。
文檔編號E02F9/20GK102943498SQ20121044349
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者曹東輝, 石向星, 孫軍 申請人:三一重機有限公司